Nivel: Medio – Construye un receptor capaz de demodular una señal de audio transmitida a través de un haz de luz LED utilizando un fotodiodo.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un receptor óptico analógico utilizando un fotodiodo de alta velocidad configurado en modo fotoconductivo, seguido de un Amplificador de Transimpedancia (TIA) y un amplificador de potencia de audio. Este circuito detecta cambios en la intensidad de la luz modulados por una fuente de audio y los convierte de nuevo en señales eléctricas para excitar un altavoz.

Por qué es útil:
* Comunicaciones Ópticas Inalámbricas (OWC): Demuestra la física fundamental detrás del Li-Fi y los controles remotos infrarrojos.
* Aislamiento galvánico: Permite la transmisión de audio entre dispositivos sin una conexión física a tierra, evitando bucles de tierra.
* Seguridad: A diferencia de la radiofrecuencia (RF), las señales ópticas se confinan en la habitación y no pueden atravesar paredes opacas.
* Inmunidad a interferencias: Inmune a la interferencia electromagnética (EMI) que típicamente afecta la transmisión por cable de cobre.

Resultado esperado:
* Salida de señal: Una forma de onda de voltaje medible en la salida del TIA (V_PRE) que refleja la forma de onda de audio transmitida.
* Salida de audio: Reproducción de sonido clara a través del altavoz (LS1) cuando el fotodiodo recibe luz modulada.
* Niveles de voltaje: La salida del TIA debe oscilar sobre una polarización de CC (aprox. VCC/2) con una oscilación de señal de CA que depende de la intensidad de la luz.
* Control de volumen: Ajuste del nivel de audio mediante el potenciómetro (R_VOL).

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados interesados en el acondicionamiento de señales analógicas.

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 9 V CC, función: Fuente de alimentación principal del circuito.
• D1: Fotodiodo BPW34, función: Sensor óptico (convertidor de luz a corriente).
• U1: Amplificador Operacional TL071, función: Amplificador de Transimpedancia (TIA).
• U2: CI Amplificador de Audio LM386N-1, función: Amplificación de potencia para altavoz.
• R_F: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de retroalimentación del TIA (ajusta la ganancia).
• R_B1: Resistencia de 10 kΩ, función: Parte superior del divisor de voltaje para polarización VCC/2.
• R_B2: Resistencia de 10 kΩ, función: Parte inferior del divisor de voltaje para polarización VCC/2.
• R_VOL: Potenciómetro de 10 kΩ, función: Control de volumen de audio.
• C_DEC: Condensador cerámico de 100 nF, función: Desacoplo de la fuente de alimentación.
• C_BIAS: Condensador electrolítico de 10 µF, función: Estabilizar el punto de polarización VCC/2.
• C_COUP: Condensador electrolítico de 4.7 µF, función: Bloqueo de CC entre el TIA y el amplificador de audio.
• C_OUT: Condensador electrolítico de 220 µF, función: Acoplamiento de salida para el altavoz.
• C_GAIN: Condensador electrolítico de 10 µF, función: Ajuste de ganancia del LM386 (Pines 1-8).
• LS1: Altavoz de 8 Ω / 0.5W, función: Transductor de audio.

Guía de conexionado

Esta guía define las conexiones utilizando nombres de nodo SPICE específicos: VCC, 0 (GND), V_BIAS, N_INV (Entrada inversora), V_PRE (Salida preamplificador), V_WIPER (Salida potenciómetro) y V_SPK (Salida amplificador).

Potencia y Polarización:
* V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a 0.
* R_B1: Conecta entre VCC y V_BIAS.
* R_B2: Conecta entre V_BIAS y 0.
* C_BIAS: Terminal positivo a V_BIAS, terminal negativo a 0.
* C_DEC: Conecta entre VCC y 0 (cerca de U1).

Amplificador de Transimpedancia (Etapa 1):
* U1 (Op-Amp): Pin V+ a VCC, pin V- a 0. Entrada no inversora (+) a V_BIAS. Entrada inversora (-) a N_INV. Pin de salida a V_PRE.
* D1 (Fotodiodo): Cátodo a VCC, Ánodo a N_INV (Polarización inversa).
* R_F: Conecta entre N_INV y V_PRE.

Acoplamiento de señal:
* C_COUP: Terminal positivo a V_PRE, terminal negativo a NODE_POT_TOP.
* R_VOL: Terminal superior a NODE_POT_TOP, terminal inferior a 0, Cursor (Wiper) a V_WIPER.

Amplificador de Potencia (Etapa 2):
* U2 (LM386): Vs (Pin 6) a VCC, GND (Pin 4) a 0. Entrada no inversora (Pin 3) a V_WIPER. Entrada inversora (Pin 2) a 0.
* C_GAIN: Conecta entre el Pin 1 y el Pin 8 de U2 (Positivo al Pin 1).
* C_OUT: Terminal positivo a la Salida de U2 (Pin 5), terminal negativo a V_SPK.
* LS1: Conecta entre V_SPK y 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Modulated light audio receiver

      [ INPUT / SENSOR ]               [ STAGE 1: TIA PRE-AMP ]                  [ INTERSTAGE ]                [ STAGE 2: POWER AMP ]              [ OUTPUT ]

                                   +-----------[ R_F: 100k ]-----------+
                                     |           (Feedback)              |
                                     v                                   |
(Light) ~~~> [ D1: BPW34 ] --(I)--> [ (-) N_INV      U1: TL071      OUT ] --(V_PRE)--> [ C_COUP ] --> [ R_VOL: 10k ] --(V_WIPER)-->+
             (Photodiode)           |                                    |             (4.7uF)        (Volume Pot)                 |
                                    | (+) V_BIAS                         |                                                         |
                                    +----------------^-------------------+                                                         |
                                                     |                                                                             |
      [ POWER & BIAS ]                               |                                                                             v
                                                     |                                                                     [ IN+  U2: LM386  OUT ] --(V_SPK)--> [ C_OUT ] --> [ LS1: Speaker ]
    [ V1: 9 V DC Source ] --(VCC)--> (Powers U1, U2)  |                                                                     |                 |                (220uF)        (8 Ohm)
             |                                       |                                                                     |  Gain Pins 1-8  |                                  |
                                                  +---> [ Bias Divider ] --(VCC/2 Ref)----+                                                                     +--------+--------+                                 GND
                   (R_B1, R_B2,                                                                                                     |
                    C_BIAS)                                                                                                    [ C_GAIN ]
                                                                                                                                (10uF)

Mediciones y pruebas

1. Verificación del punto de polarización: Usa un multímetro para medir el voltaje en el nodo V_BIAS. Debería ser aproximadamente 4.5 V (la mitad de VCC). Si no, revisa R_B1 y R_B2.
2. Nivel de luz ambiental: Mide el voltaje de CC en V_PRE sin ninguna señal modulada (solo luz ambiental). Debería ser ligeramente inferior a V_BIAS dependiendo del brillo ambiental que incide en D1.
3. Adquisición de señal:
   • Apunta una fuente de luz modulada (por ejemplo, un LED conectado a una salida de audio o un generador de señales) hacia D1.
   • Usa un osciloscopio en V_PRE. Deberías ver una forma de onda de CA superpuesta al nivel de CC.
   • Mide el Vpp (Voltaje pico a pico). Debería estar en el rango de 100 mV a 1 V dependiendo de la distancia y la intensidad de la luz.
4. Prueba de audio: Sube R_VOL lentamente. Deberías escuchar el audio transmitido claramente desde LS1.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Modulated light audio receiver

* --- Component Models ---
* Generic Photodiode Model
.model D_BPW34 D(Is=1n Rs=5 Cjo=10p)

* --- Subcircuits ---

* TL071 Operational Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=NonInv 2=Inv 3=V+ 4=V- 5=Out
.SUBCKT TL071 P_NI P_INV P_VCC P_VEE P_OUT
  * Input Impedance
  Rin P_NI P_INV 1T
  * Output Stage (Behavioral with Rail Limiting)
  * Models high open-loop gain and saturation at Rails +/- 1.5V
  B1 P_OUT 0 V=V(P_VEE) + 1.5 + (V(P_VCC)-V(P_VEE)-3) * (1 / (1 + exp(-100000 * (V(P_NI)-V(P_INV)))))
.ENDS TL071

* LM386 Audio Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=Gain 2=Inv 3=NonInv 4=GND 5=Out 6=Vs 8=Gain
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Modulated light audio receiver

* --- Component Models ---
* Generic Photodiode Model
.model D_BPW34 D(Is=1n Rs=5 Cjo=10p)

* --- Subcircuits ---

* TL071 Operational Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=NonInv 2=Inv 3=V+ 4=V- 5=Out
.SUBCKT TL071 P_NI P_INV P_VCC P_VEE P_OUT
  * Input Impedance
  Rin P_NI P_INV 1T
  * Output Stage (Behavioral with Rail Limiting)
  * Models high open-loop gain and saturation at Rails +/- 1.5V
  B1 P_OUT 0 V=V(P_VEE) + 1.5 + (V(P_VCC)-V(P_VEE)-3) * (1 / (1 + exp(-100000 * (V(P_NI)-V(P_INV)))))
.ENDS TL071

* LM386 Audio Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=Gain 2=Inv 3=NonInv 4=GND 5=Out 6=Vs 8=Gain
.SUBCKT LM386 P_G1 P_INV P_NI P_GND P_OUT P_VS P_G8
  * Internal Gain Resistor (1.35k) connecting Pins 1 and 8
  R_GAIN_INT P_G1 P_G8 1.35k
  * High resistance to GND to prevent floating node errors for the Gain capacitor
  R_C1 P_G1 0 100Meg
  R_C8 P_G8 0 100Meg
  
  * Audio Amplifier Behavioral Source
  * Self-biasing output to Vs/2
  * Fixed Gain approx 200 (Assuming C_GAIN is present externally)
  B_OUT P_OUT P_GND V=V(P_VS)/2 + 200*(V(P_NI)-V(P_INV))
.ENDS LM386

* --- Main Circuit ---

* Power Supply (9V)
V1 VCC 0 DC 9

* Power Supply Decoupling
C_DEC VCC 0 100n

* Bias Voltage Generator (VCC/2)
R_B1 VCC V_BIAS 10k
R_B2 V_BIAS 0 10k
C_BIAS V_BIAS 0 10u

* --- Stage 1: Transimpedance Amplifier (TIA) ---
* U1 TL071 Op-Amp
* Connections: NI=V_BIAS, INV=N_INV, V+=VCC, V-=0, OUT=V_PRE
XU1 V_BIAS N_INV VCC 0 V_PRE TL071

* Photodiode Sensor (Reverse Biased)
* Cathode to VCC, Anode to N_INV
D1 N_INV VCC D_BPW34

* Optical Signal Simulation
* Current source representing modulated light (1kHz square wave)
* Connected parallel to photodiode (Anode to Cathode current flow)
I_LIGHT N_INV VCC PULSE(0 2u 0 1u 1u 500u 1000u)

* Feedback Resistor
R_F N_INV V_PRE 100k

* --- Signal Coupling ---
* DC Blocking Capacitor
C_COUP V_PRE NODE_POT_TOP 4.7u

* Volume Potentiometer (10k)
* Modeled as voltage divider. Wiper set to 20% to manage gain.
* Top Resistor (8k)
R_VOL_TOP NODE_POT_TOP V_WIPER 8k
* Bottom Resistor (2k)
R_VOL_BOT V_WIPER 0 2k

* --- Stage 2: Power Amplifier ---
* U2 LM386 Audio Amp
* Connections: 1=GAIN_P, 2=0, 3=V_WIPER, 4=0, 5=V_AMP_OUT, 6=VCC, 8=GAIN_N
XU2 GAIN_P 0 V_WIPER 0 V_AMP_OUT VCC GAIN_N LM386

* Gain Setting Capacitor (Pins 1-8)
C_GAIN GAIN_P GAIN_N 10u

* Output Coupling Capacitor
C_OUT V_AMP_OUT V_SPK 220u

* Speaker Load (8 Ohm)
LS1 V_SPK 0 8

* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis for 5ms to see 5 cycles of 1kHz audio
.tran 10u 5ms

* Output data for plotting
.print tran V(V_PRE) V(V_WIPER) V(V_SPK)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (623 rows)

Index   time            v(v_pre)        v(v_wiper)      v(v_spk)
0	0.000000e+00	4.499900e+00	0.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	4.501899e+00	3.998838e-04	7.997676e-02
2	1.083984e-08	4.502067e+00	4.334770e-04	8.669540e-02
3	1.251953e-08	4.502403e+00	5.006638e-04	1.001328e-01
4	1.587889e-08	4.503075e+00	6.350376e-04	1.270075e-01
5	2.259763e-08	4.504418e+00	9.037850e-04	1.807570e-01
6	3.603509e-08	4.507106e+00	1.441280e-03	2.882560e-01
7	6.291003e-08	4.512481e+00	2.516269e-03	5.032538e-01
8	1.166599e-07	4.523231e+00	4.666245e-03	9.332491e-01
9	2.241596e-07	4.544731e+00	8.966191e-03	1.793238e+00
10	4.391591e-07	4.587730e+00	1.756605e-02	3.513210e+00
11	8.691581e-07	4.673729e+00	3.476566e-02	6.953131e+00
12	1.000000e-06	4.699898e+00	3.999919e-02	7.999838e+00
13	1.086000e-06	4.699898e+00	3.999923e-02	7.999847e+00
14	1.257999e-06	4.699898e+00	3.999909e-02	7.999818e+00
15	1.601999e-06	4.699898e+00	3.999879e-02	7.999759e+00
16	2.289997e-06	4.699898e+00	3.999821e-02	7.999642e+00
17	3.665994e-06	4.699898e+00	3.999704e-02	7.999408e+00
18	6.417987e-06	4.699898e+00	3.999470e-02	7.998939e+00
19	1.192197e-05	4.699898e+00	3.999001e-02	7.998002e+00
20	2.192197e-05	4.699898e+00	3.998151e-02	7.996300e+00
21	3.192197e-05	4.699898e+00	3.997300e-02	7.994598e+00
22	4.192197e-05	4.699898e+00	3.996450e-02	7.992895e+00
23	5.192197e-05	4.699898e+00	3.995599e-02	7.991193e+00
... (599 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad invertida del fotodiodo: Conectar el ánodo a VCC polarizará el diodo en directa, haciendo que conduzca completamente y sature el amplificador. Solución: Asegúrate de que el Cátodo (generalmente marcado con un lado plano o una pata más corta) vaya a VCC.
2. Omitir condensadores de bloqueo de CC: Conectar la salida del TIA directamente al potenciómetro de volumen del LM386 puede alterar la polarización del amplificador de audio. Solución: Usa siempre C_COUP para pasar solo la señal de audio y bloquear el desplazamiento de CC.
3. Saturación óptica: Probar bajo luz solar directa o luz artificial muy fuerte satura el fotodiodo, aplanando la señal. Solución: Usa un escudo óptico (un tubo negro) alrededor de D1 para limitar el campo de visión solo al transmisor.

Solución de problemas

• Síntoma: Zumbido fuerte y constante.
  • Causa: Captación de ruido de 50Hz/60Hz de la iluminación ambiental de la habitación (fluorescente/red eléctrica).
  • Solución: Apaga las luces de la habitación o usa un filtro óptico (plástico rojo/IR) sobre D1.
• Síntoma: No hay audio, pero V_PRE muestra señal.
  • Causa: R_VOL está al mínimo o el cableado del LM386 es incorrecto.
  • Solución: Verifica la conexión del cursor del potenciómetro y asegúrate de que los pines de alimentación de U2 sean correctos.
• Síntoma: La señal está recortada (cuadrada) en el TIA.
  • Causa: La resistencia de ganancia R_F es demasiado alta para la intensidad de luz recibida.
  • Solución: Reduce R_F a 47 kΩ o aleja más el transmisor.

Posibles mejoras y extensiones

1. Filtro paso banda: Reemplaza R_F con una red en T o añade un condensador en paralelo para crear un filtro paso bajo, y añade una etapa de filtro paso alto para eliminar el zumbido de la red de 50/60Hz.
2. Salida Schmitt Trigger: Alimenta la salida de V_PRE a un comparador o Schmitt trigger (como un 74HC14) para convertir el receptor de audio analógico en un receptor de datos digital para transmisión UART.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Medio – Diseña un sistema de medición de RPM utilizando un fotodiodo en modo fotoconductivo para detectar interrupciones de luz.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito sensor óptico sin contacto que convierte las interrupciones de luz causadas por una hélice giratoria en un tren de pulsos digitales limpios. El sistema utiliza un fotodiodo en polarización inversa (modo fotoconductivo) para detectar cambios en la intensidad de la luz, un comparador para digitalizar la señal analógica y un inversor lógico para hacer de buffer de la salida.

Por qué es útil:
* Sistemas de control de velocidad: Proporciona retroalimentación para controladores PID para mantener una velocidad constante del motor bajo cargas variables.
* Monitoreo de cintas transportadoras: Detecta atascos o paradas monitoreando la rotación de los rodillos de transmisión.
* Detección de fallos en ventiladores: Se utiliza en servidores y equipos industriales para activar alarmas si los ventiladores de refrigeración dejan de girar.
* Medición sin contacto: Permite medir piezas mecánicas de alta velocidad sin añadir fricción ni desgaste físico.

Resultado esperado:
* Generación de señal: Una salida de onda cuadrada (VOUT) donde la frecuencia es proporcional a la velocidad del motor.
* Indicación visual: Un LED indicador parpadea en sincronía con el paso de la aspa de la hélice (visible a bajas velocidades).
* Niveles de voltaje: El voltaje analógico del sensor oscila entre ≈ 0 V (oscuridad) y $>2 V$ (luz), convertido a niveles lógicos TTL de 5 V válidos en la salida.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con amplificadores operacionales básicos y semiconductores discretos.

Materiales

Lista de materiales:
* V1: Fuente de 5 V DC, función: Alimentación principal del circuito.
* V2: Fuente de 5 V DC, función: Alimentación para la fuente de luz externa (o compartida con V1).
* D1: Fotodiodo BPW34 (o genérico), función: Sensor de luz (Polarización inversa).
* R1: Resistencia de 100 kΩ, función: Conversión de corriente a voltaje (Resistencia de ganancia).
* RV1: Potenciómetro de 10 kΩ, función: Voltaje de referencia ajustable (VREF) para el comparador.
* U1: Op-Amp LM358, función: Comparador de voltaje.
* U2: Inversor Hexagonal 74HC04, función: Buffer e inversión de señal.
* R2: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED de salida.
* D2: LED rojo, función: Indicador de pulso.
* L1: LED blanco o linterna, función: Fuente de luz externa apuntando a D1.
* M1: Motor DC con una hélice/ventilador, función: Objeto a medir (corta el haz de luz).

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Inversor Hexagonal)

Nota: El pinout del Op-Amp LM358 es estándar (Pin 8: VCC, Pin 4: GND, Pin 3: Entrada no inversora, Pin 2: Entrada inversora, Pin 1: Salida).

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos. Asegúrate de que el fotodiodo esté protegido de la luz ambiental para obtener mejores resultados.

• Nodos de Alimentación:

  • VCC: Conecta el terminal positivo de V1, el Pin 8 de U1 (LM358), el Pin 14 de U2 (74HC04) y un lado de RV1.
  • 0 (GND): Conecta el terminal negativo de V1, el Pin 4 de U1, el Pin 7 de U2, el otro lado de RV1, el Ánodo de D1 y el Cátodo de D2.

• Etapa del Sensor (Modo Fotoconductivo):

  • VSENS: Conecta el Cátodo de D1 (Fotodiodo), un extremo de R1 y el Pin 3 (Entrada no inversora) de U1.
  • Conecta el otro extremo de R1 a VCC.
  • Nota: Esta configuración crea un divisor de voltaje. Cuando la luz golpea a D1, fluye corriente inversa, bajando el voltaje en VSENS. Oscuridad = Voltaje Alto (cerca de VCC); Luz = Voltaje Bajo.

• Etapa del Comparador:

  • VREF: Conecta el cursor (pin central) de RV1 al Pin 2 (Entrada inversora) de U1.
  • VCOMP: Conecta el Pin 1 (Salida) de U1 al Pin 1 (Entrada 1 A) de U2.

• Etapa de Salida:

  • VOUT: Conecta el Pin 2 (Salida 1Y) de U2 a un extremo de R2. Este es tu punto de medición para el osciloscopio.
  • Conecta el otro extremo de R2 al Ánodo de D2 (LED).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Optical tachometer for DC motor

      [ INPUTS / SENSORS ]                     [ LOGIC / PROCESSING ]                  [ OUTPUTS ]

[ Light Source L1 ]
        |
   (Light Beam)
        |
        v
[ Motor M1 (Propeller) ]
        |
 (Interrupted Beam)
        |
        v
[ Photodiode D1 ] --(VSENS: Pin 3)-->+----------------+
(Rev-Biased w/ R1)                   |                |
                                     |   U1: LM358    |
                                     |   Comparator   | --(VCOMP: Pin 1)-->+
                                     |                |                    |
[ Potentiometer RV1 ] --(VREF: Pin 2)-->+----------------+                    |
(Adjust Sensitivity)                                                       |
                                                                           v
                                                                   +----------------+
                                                                   |                |
                                                                   |   U2: 74HC04   |
                                                                   |  Hex Inverter  |
                                                                   |                |
                                                                   +-------+--------+
                                                                           |
                                                                     (VOUT: Pin 2)
                                                                           |
                                                               +--------(Scope Probe)-->
                                                                           |
                                                                           v
                                                                    [ Resistor R2 ]
                                                                           |
                                                                           v
                                                                      [ LED D2 ]
                                                                           |
                                                                           v
                                                                         (GND)

Tabla de verdad (Etapa lógica)

Esta tabla describe el flujo lógico desde el estado físico hasta la salida eléctrica final.

Nota: Dado que la configuración del sensor lleva VSENS a nivel bajo cuando está iluminado, la salida del Comparador pasa a Bajo cuando hay luz. El 74HC04 invierte esto, por lo que el LED se ENCIENDE cuando la luz pasa a través.

Mediciones y pruebas

1. Calibración (Prueba Estática):

   • Enciende el sistema (V1 = 5 V).
   • Asegúrate de que la fuente de luz L1 brille directamente sobre D1.
   • Mide VSENS con un multímetro. Debería ser bajo (ej. 1 V – 2 V) debido a la fotocorriente.
   • Bloquea la luz con tu mano. VSENS debería subir cerca de VCC (ej. 4.5 V).
   • Ajusta el potenciómetro RV1 para que VREF esté exactamente en el medio de estos dos valores (ej. si Oscuro=4.5 V y Luz=1.5 V, ajusta VREF a 3.0 V).

2. Prueba Dinámica:

   • Coloca el motor M1 de manera que su hélice corte el haz entre L1 y D1.
   • Conecta el Canal 1 de tu osciloscopio a VOUT.
   • Haz funcionar el motor. Deberías ver un tren de ondas cuadradas.

3. Cálculo:

   • Mide la frecuencia ($f$) de la señal en VOUT en Hertz.
   • Cuenta el número de aspas ($N$) en tu hélice.
   • Calcula las RPM: RPM = ≤ft( (f / N) \right) × 60.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Optical tachometer for DC motor

* ==========================================
* Models and Definitions
* ==========================================

* Photodiode Model (Generic BPW34)
.model D_BPW34 D(IS=10n N=1.1 RS=5 CJO=20p)

* Output LED Model (Red)
.model LED_Red D(IS=1u N=1.8 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* External Light Source LED Model (White)
.model LED_White D(IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Subcircuit: LM358 Op-Amp (Comparator Mode)
* Pins: OUT INM INP GND VCC
.subckt LM358 OUT INM INP GND VCC
* Dummy resistors to ensure DC path for all pins (avoids floating node warnings)
R_supply VCC GND 100Meg
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Optical tachometer for DC motor

* ==========================================
* Models and Definitions
* ==========================================

* Photodiode Model (Generic BPW34)
.model D_BPW34 D(IS=10n N=1.1 RS=5 CJO=20p)

* Output LED Model (Red)
.model LED_Red D(IS=1u N=1.8 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* External Light Source LED Model (White)
.model LED_White D(IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Subcircuit: LM358 Op-Amp (Comparator Mode)
* Pins: OUT INM INP GND VCC
.subckt LM358 OUT INM INP GND VCC
* Dummy resistors to ensure DC path for all pins (avoids floating node warnings)
R_supply VCC GND 100Meg
R_inM    INM GND 100Meg
R_inP    INP GND 100Meg
* Behavioral Output: High (VCC) if INP > INM, Low (GND) otherwise
B_Out OUT GND V = (V(VCC)-V(GND)) * (1 / (1 + exp(-100 * (V(INP)-V(INM)))))
.ends LM358

* Subcircuit: 74HC04 Hex Inverter (Single Gate)
* Pins: IN OUT GND VCC
.subckt 74HC04_Gate IN OUT GND VCC
* Dummy resistors
R_supply VCC GND 100Meg
R_in     IN  GND 100Meg
* Inverter Logic: High if IN < 2.5V
B_Out OUT GND V = (V(VCC)-V(GND)) * (1 / (1 + exp(100 * (V(IN) - 2.5))))
.ends 74HC04_Gate

* ==========================================
* Circuit Instantiation
* ==========================================

* --- Power Supply Section ---
* V1: 5V DC Supply for the main circuit (VCC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: 5V DC Supply for external components (Motor/Light)
V2 VCC_EXT 0 DC 5

* --- Environment (Physical BOM Components) ---
* L1: White LED (External Light Source)
* Modeled as electrical load on V2. Light emission is implicit.
R_L1 VCC_EXT N_L1 220
D_L1 N_L1 0 LED_White

* M1: DC Motor (Propeller)
* Modeled as electrical load on V2. Rotation is simulated by the chopper signal.
R_M1 VCC_EXT N_M1 20
L_M1 N_M1 0 10m

* Optical Interaction Simulation:
* V_Chopper simulates the propeller cutting the light beam from L1 to D1.
* 1V = Light Passing (Gap), 0V = Light Blocked (Blade).
* Frequency approx 500Hz (2ms period).
V_Chopper V_OPT_LINK 0 PULSE(0 1 0 100u 100u 800u 2000u)

* --- Sensor Stage ---
* R1: 100k Resistor (Pull-up) connecting VCC to VSENS
R1 VCC VSENS 100k

* D1: BPW34 Photodiode
* Wiring: Cathode to VSENS, Anode to GND (Reverse Biased)
D1 0 VSENS D_BPW34

* Photocurrent Injection (Behavioral):
* Represents light hitting D1 when V_OPT_LINK is High.
* Current flows Cathode to Anode (VSENS to GND). I_photo = 50uA.
B_Photo VSENS 0 I = V(V_OPT_LINK) * 50u

* --- Comparator Stage ---
* RV1: 10k Potentiometer (Reference Voltage)
* Configured as 50% divider (5k + 5k) setting VREF to ~2.5V.
R_RV1_Top VCC VREF 5k
R_RV1_Bot VREF 0 5k

* U1: LM358 Op-Amp configured as Comparator
* Pin 8=VCC, Pin 4=GND, Pin 3=VSENS (Non-Inv), Pin 2=VREF (Inv), Pin 1=VCOMP
XU1 VCOMP VREF VSENS 0 VCC LM358

* --- Buffer/Inverter Stage ---
* U2: 74HC04 Hex Inverter (Gate 1)
* Pin 14=VCC, Pin 7=GND, Pin 1=VCOMP (Input), Pin 2=VOUT (Output)
XU2 VCOMP VOUT 0 VCC 74HC04_Gate

* --- Output Stage ---
* R2: 330 Ohm Current Limiting Resistor
R2 VOUT LED_A 330

* D2: Red LED (Signal Indicator)
* Wiring: Anode to R2, Cathode to GND
D2 LED_A 0 LED_Red

* ==========================================
* Analysis Commands
* ==========================================

* Transient analysis: 10ms to capture 5 pulses
.tran 100u 10ms

* Monitor signals
.print tran V(VSENS) V(VREF) V(VCOMP) V(VOUT) V(LED_A) V(V_OPT_LINK)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (526 rows)

Index   time            v(vsens)        v(vref)         v(vcomp)
0	0.000000e+00	4.994005e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
1	1.000000e-06	4.966501e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
2	2.000000e-06	4.926705e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
3	4.000000e-06	4.836178e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
4	8.000000e-06	4.635945e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
5	1.600000e-05	4.238426e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
6	3.200000e-05	3.442420e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
7	6.400000e-05	1.854804e+00	2.499938e+00	4.799431e-28
8	1.000000e-04	8.527235e-02	2.499938e+00	5.000000e-99
9	1.009874e-04	5.613111e-02	2.499938e+00	5.038370e-99
10	1.029622e-04	1.810390e-02	2.499938e+00	5.069277e-99
11	1.055177e-04	3.702381e-03	2.499938e+00	5.376972e-99
12	1.063053e-04	2.444841e-03	2.499938e+00	6.193694e-99
13	1.072769e-04	1.458053e-03	2.499938e+00	5.050362e-99
14	1.083003e-04	8.469348e-04	2.499938e+00	4.694441e-99
15	1.095417e-04	4.347045e-04	2.499938e+00	5.049162e-99
16	1.109578e-04	2.013374e-04	2.499938e+00	4.883316e-99
17	1.123791e-04	9.296145e-05	2.499938e+00	4.945812e-99
18	1.143288e-04	3.056502e-05	2.499938e+00	4.968802e-99
19	1.167173e-04	7.196143e-06	2.499938e+00	4.988316e-99
20	1.202744e-04	2.927790e-07	2.499938e+00	4.996548e-99
21	1.252257e-04	-3.66547e-08	2.499938e+00	4.999835e-99
22	1.343972e-04	1.488928e-08	2.499938e+00	5.000026e-99
23	1.527400e-04	-9.71180e-09	2.499938e+00	4.999988e-99
... (502 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del fotodiodo invertida: En modo fotoconductivo, el fotodiodo DEBE estar polarizado inversamente (Cátodo a potencial positivo relativo al Ánodo). Si se conecta en directa, actúa como un diodo normal y no detectará la luz eficazmente.
   • Solución: Verifica el lado plano o el terminal más corto del fotodiodo y asegúrate de que se conecta al nodo VSENS (que está conectado a VCC vía R1).
2. Voltaje de Referencia (VREF) incorrecto: Si VREF se ajusta demasiado alto (por encima del voltaje en oscuridad) o demasiado bajo (por debajo del voltaje en luz), el comparador nunca conmutará.
   • Solución: Siempre mide VSENS en ambos estados (oscuro y luz) antes de ajustar RV1.
3. Interferencia de Luz Ambiental: La iluminación de la habitación (especialmente luces fluorescentes parpadeando a 50/60Hz) puede activar el sensor falsamente.
   • Solución: Usa un tubo opaco (termorretráctil o la carcasa de un bolígrafo) alrededor del fotodiodo para estrechar su campo de visión estrictamente a la fuente de luz.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO o siempre APAGADO.
  • Causa: VREF no está ajustado correctamente o la fuente de luz es demasiado débil.
  • Solución: Reajusta RV1. Asegúrate de que L1 sea brillante y esté alineada.
• Síntoma: La señal de salida es inestable o tiene múltiples picos por pulso.
  • Causa: Transiciones ruidosas cuando el voltaje cruza el umbral lentamente.
  • Solución: Añade una pequeña resistencia de histéresis (ej. 1 MΩ) entre VCOMP y el Pin 3 de U1, o asegúrate de que la transición óptica sea nítida (haz enfocado).
• Síntoma: VSENS no cambia significativamente con la luz.
  • Causa: El valor de R1 es demasiado bajo para la sensibilidad de D1.
  • Solución: Aumenta R1 a 220 kΩ o 470 kΩ para aumentar la ganancia de voltaje (V = Ifoto × R1).

Posibles mejoras y extensiones

1. Histéresis (Trigger Schmitt): Modifica el circuito del Op-Amp para incluir retroalimentación positiva. Esto crea dos voltajes de umbral distintos, haciendo al sistema inmune al ruido alrededor del punto de conmutación.
2. Modo Sensor Reflectivo: En lugar de colocar la fuente de luz opuesta al sensor (transmisivo), colócalos lado a lado. Pinta las aspas de la hélice de negro (no reflectante) y blanco (reflectante). Esto permite medir RPM en motores donde no puedes acceder a ambos lados de las aspas.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Construye un sistema de alarma simple que detecte la interrupción de un haz de luz.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirás un sistema detector óptico que consiste en un transmisor (LED IR) y un receptor (Fotodiodo) que controla un interruptor de transistor. Cuando el haz infrarrojo invisible es interrumpido por un objeto, un LED de alarma se encenderá.

• Sistemas de seguridad: Utilizados en marcos de puertas o ventanas para detectar entradas no autorizadas.
• Automatización: detección de objetos en una cinta transportadora para conteo o clasificación.
• Seguridad: Mecanismos de parada de emergencia cuando una mano cruza un límite peligroso.
• Conmutación sin contacto: Activación de dispositivos sin contacto físico.

Resultado esperado:
* Haz intacto (Camino despejado): El LED rojo de alarma está APAGADO.
* Haz interrumpido (Objeto presente): El LED rojo de alarma se ENCIENDE.
* Señal: El voltaje en el nodo de detección pasará de Lógica Baja (aprox. 0.1 V – 0.5 V) a Lógica Alta (> 0.7 V) cuando se rompa el haz.
* Público objetivo: Principiantes familiarizados con el uso de protoboards y componentes discretos básicos.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
• D1: LED IR (Emisor Infrarrojo), función: Transmisor del haz (Tx)
• R1: Resistencia de 220 Ω, función: Limitación de corriente para D1
• D2: Fotodiodo, función: Receptor del haz (Rx)
• R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de pull-up para el nodo de detección
• Q1: Transistor NPN 2N2222 (o 2N3904), función: Interruptor electrónico
• R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitador de corriente de base para Q1
• D3: LED rojo, función: Indicador de alarma
• R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para D3

Guía de conexionado

Este circuito se divide en dos partes: el Transmisor (Tx) y el Receptor (Rx). Constrúyelos uno frente al otro.

Transmisor (Tx):
* VCC conecta con R1.
* R1 conecta con el Ánodo de D1 (Nodo: TX_ANODE).
* D1 (Cátodo) conecta con 0 (GND).

Receptor (Rx) – Configuración de Detector de Oscuridad:
* VCC conecta con R2.
* R2 conecta con el Cátodo de D2 (Nodo: V_SENSE). Nota: Los fotodiodos se utilizan en polarización inversa.
* D2 (Ánodo) conecta con 0 (GND).
* VCC conecta con R4.
* R4 conecta con el Ánodo de D3.
* D3 (Cátodo) conecta con el Colector de Q1 (Nodo: V_ALARM).
* Q1 (Emisor) conecta con 0 (GND).
* Nodo V_SENSE conecta con R3.
* R3 conecta con la Base de Q1.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+------------------------------------------------------------------------------+
|                   PRACTICAL CASE: BASIC INFRARED LIGHT BARRIER               |
+------------------------------------------------------------------------------+

      [ INPUTS / SENSORS ]              [ LOGIC / CONTROL ]               [ OUTPUT / LOAD ]

      (Transmitter)
      [ VCC ]
         |
         v
      [ R1: 220 ]
         |
         v
      [ D1: IR LED ] ~~~~~(IR Beam)~~~~~> [ D2: Photodiode ]
         |                                (Rx Sensor)
         v                                      |
      [ GND ]                                   |
                                                |
      (Receiver Bias)                           |
      [ VCC ]                                   |
         |                                      |
         v                                      |
      [ R2: 100k ]                              |
         |                                      |
+-----------(Node: V_SENSE)------------+
         |
         |
         v
      [ R3: 1k ]
         |
         v
      [ Q1: NPN Base ] ----------------> [ Q1: Collector ] <--(Switched Path)-- [ D3: Red LED ]
      (Transistor Switch)                (Sinks Current)                              ^
                                                |                                     |
                                                v                                [ R4: 330 ]
                                         [ Q1: Emitter ]                              ^
                                                |                                     |
                                                v                                  [ VCC ]
                                             [ GND ]

+------------------------------------------------------------------------------+
| SIGNAL FLOW ANALYSIS:                                                        |
| 1. Tx generates IR Beam.                                                     |
| 2. If Beam hits D2 (Clear) -> D2 conducts -> V_SENSE is LOW -> Q1 OFF.       |
| 3. If Beam blocked (Dark)  -> D2 blocks   -> V_SENSE is HIGH -> Q1 ON.       |
| 4. Q1 ON connects D3 to GND -> ALARM ACTIVATED.                              |
+------------------------------------------------------------------------------+

Tabla de verdad

Mediciones y pruebas

1. Verificación de Tx: Conecta la alimentación. Usa la cámara de un smartphone para mirar el LED IR (D1). Deberías ver un tenue brillo morado/rosado en la pantalla (los ojos humanos no pueden ver el IR).
2. Prueba de voltaje Rx (Haz intacto): Alinea D1 y D2 perfectamente. Mide el voltaje en V_SENSE con respecto a GND. Debería ser bajo (típicamente < 0.6 V) porque la luz hace que el fotodiodo conduzca corriente a tierra.
3. Prueba de voltaje Rx (Haz roto): Coloca una tarjeta o tu mano entre D1 y D2. Mide el voltaje en V_SENSE. Debería subir significativamente (cerca de 4 V–5 V) a medida que el fotodiodo deja de conducir y R2 lleva el nodo a nivel alto.
4. Prueba funcional: Asegúrate de que el LED rojo (D3) se ENCIENDA inmediatamente cuando el haz sea bloqueado y se APAGUE cuando el camino esté despejado.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Basic Infrared Light Barrier

* --- Component Models ---
* Standard NPN Transistor
.model 2N2222 NPN (IS=1E-14 BF=200 VAF=100)
* Infrared LED (Tx) - Approx Vf=1.2V
.model IR_LED D (IS=1p N=1.5 RS=5)
* Red LED (Alarm) - Approx Vf=1.8-2.0V
.model RED_LED D (IS=1u N=2 RS=10)
* Photodiode (Rx) - Modeled as diode with low capacitance
.model PD_DIODE D (IS=10p N=1 RS=10 CJO=10p)

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Transmitter (Tx) Circuit ---
* Connectivity: VCC -> R1 -> D1(Anode). D1(Cathode) -> GND.
R1 VCC TX_ANODE 220
D1 TX_ANODE 0 IR_LED

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Basic Infrared Light Barrier

* --- Component Models ---
* Standard NPN Transistor
.model 2N2222 NPN (IS=1E-14 BF=200 VAF=100)
* Infrared LED (Tx) - Approx Vf=1.2V
.model IR_LED D (IS=1p N=1.5 RS=5)
* Red LED (Alarm) - Approx Vf=1.8-2.0V
.model RED_LED D (IS=1u N=2 RS=10)
* Photodiode (Rx) - Modeled as diode with low capacitance
.model PD_DIODE D (IS=10p N=1 RS=10 CJO=10p)

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Transmitter (Tx) Circuit ---
* Connectivity: VCC -> R1 -> D1(Anode). D1(Cathode) -> GND.
R1 VCC TX_ANODE 220
D1 TX_ANODE 0 IR_LED

* --- Receiver (Rx) Circuit ---
* Sensor Stage: VCC -> R2 -> D2(Cathode). D2(Anode) -> GND.
* Node V_SENSE is the junction of R2 and D2.
R2 VCC V_SENSE 100k
D2 0 V_SENSE PD_DIODE

* PHYSICAL STIMULUS: IR Beam Simulation
* In a real circuit, D1 emits light which D2 receives.
* We model this optical coupling with a Current Source (Photocurrent) in parallel with D2.
* Direction: Photocurrent flows Cathode to Anode (V_SENSE to GND).
* Logic:
*   - 50uA = Light Detected (Beam Intact) -> V_SENSE pulled Low -> Alarm OFF.
*   - 0A   = Dark (Beam Broken) -> V_SENSE pulled High by R2 -> Alarm ON.
* Timing: Start with Light (50uA), break beam at 1ms (0A), restore at 3ms.
I_Beam V_SENSE 0 PULSE(50u 0 1m 10u 10u 2m 5m)

* Switch Stage: V_SENSE -> R3 -> Q1(Base)
R3 V_SENSE Q1_BASE 1k
* Q1: Collector=V_ALARM, Base=Q1_BASE, Emitter=GND
Q1 V_ALARM Q1_BASE 0 2N2222

* Alarm Indicator Stage: VCC -> R4 -> D3(Anode). D3(Cathode) -> Q1(Collector).
R4 VCC LED_ANODE 330
D3 LED_ANODE V_ALARM RED_LED

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis for 5ms to capture the beam break event
.tran 10u 5m

* Print required voltages for verification
.print tran V(V_SENSE) V(Q1_BASE) V(V_ALARM) V(TX_ANODE)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1072 rows)

Index   time            v(v_sense)      v(q1_base)      v(v_alarm)
0	0.000000e+00	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
1	1.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
2	2.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
3	4.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
4	8.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
5	1.600000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
6	3.200000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
7	6.400000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
8	1.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
9	2.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
10	3.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
11	4.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
12	5.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
13	6.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
14	7.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
15	8.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
16	9.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
17	1.028000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
18	1.128000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
19	1.228000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
20	1.328000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
21	1.428000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
22	1.528000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
23	1.628000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
... (1048 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Fotodiodo invertido: A diferencia de los LED normales, los fotodiodos deben conectarse en polarización inversa (Cátodo al lado positivo, Ánodo al lado negativo) para detectar luz. Si se conecta en directa, actúa como un diodo normal y fija el voltaje, deshabilitando el sensor.
2. Desalineación: La luz IR es altamente direccional. Si el LED Tx y el Fotodiodo Rx no apuntan directamente el uno al otro, la alarma permanecerá ENCENDIDA permanentemente.
3. Interferencia de luz ambiental: La luz solar intensa o las lámparas de techo pueden inundar el fotodiodo, manteniendo el voltaje bajo incluso cuando bloqueas el haz IR. Usa un pequeño tubo o cinta aislante negra alrededor del fotodiodo para protegerlo de la luz lateral.

Solución de problemas

• La alarma nunca se ENCIENDE:
  • Causa: La base del transistor no recibe suficiente voltaje.
  • Solución: Verifica si el objeto realmente está bloqueando la luz. Aumenta R2 (por ejemplo, a 220 kΩ) para hacer el pull-up más fuerte contra fugas.
• La alarma nunca se APAGA:
  • Causa: El fotodiodo no recibe suficiente luz IR para bajar el voltaje de la base.
  • Solución: Realinea los LED. Disminuye R1 para hacer que el LED IR brille más (no bajes de 100 Ω). Asegúrate de que el fotodiodo esté insertado con la polaridad correcta.
• El sistema parpadea:
  • Causa: Detección de bordes o fuente de luz inestable.
  • Solución: Asegúrate de que la fuente de alimentación sea estable. Añade un pequeño condensador (por ejemplo, 100 nF) entre V_SENSE y GND para filtrar el ruido (nota: esto ralentiza ligeramente la respuesta).

Posibles mejoras y extensiones

1. Trigger Schmitt: Reemplaza el controlador de transistor simple con un Trigger Schmitt (o temporizador 555) para evitar que el LED se desvanezca, creando efectivamente un interruptor de acción «instantánea».
2. Modulación: Usa un módulo receptor de 38 kHz (como un sensor TSOP) y pulsa el LED IR a 38 kHz. Esto hace que el sistema sea completamente inmune a la luz solar y la iluminación de la habitación.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico – Analizar diferencias de velocidad y linealidad entre una LDR y un fotodiodo.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de comparación dual que presenta una resistencia dependiente de la luz (LDR) y un fotodiodo uno al lado del otro, ambos estimulados por una fuente de luz LED pulsada. Esta configuración demuestra por qué se eligen sensores específicos para diferentes aplicaciones según el tiempo de respuesta y la linealidad.

• Transmisión de datos de alta velocidad: Los fotodiodos son esenciales para la fibra óptica y los controles remotos donde las señales conmutan rápidamente.
• Detección de luz ambiental: Las LDR son rentables para el alumbrado público (anochecer a amanecer) donde la velocidad de reacción no importa.
• Medición de precisión: Los fotodiodos proporcionan una salida de corriente lineal proporcional a la intensidad de la luz, ideal para luxómetros.

Resultado esperado:
* Salida de la LDR: Una respuesta de voltaje lenta y curva (forma de «aleta de tiburón») cuando se expone a una luz que parpadea rápidamente.
* Salida del fotodiodo: Una respuesta de voltaje cuadrada y nítida que sigue la fuente de luz con precisión.
* Niveles de voltaje: Cambios de voltaje distintos en los nodos V_LDR y V_PD correspondientes a la intensidad de la luz.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados interesados en sensores analógicos y optoelectrónica.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación principal del circuito.
• V2: Generador de pulsos de 0 V a 5 V (100 Hz), función: Controlador para el LED de prueba (Estímulo).
• R1: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de estímulo.
• D_STIM: LED blanco, función: Fuente de luz para activar los sensores.
• R_LDR: Resistencia dependiente de la luz (LDR), función: Sensor fotorresistivo lento.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de voltaje para la LDR.
• D_PD: Fotodiodo de silicio (p. ej., BPW34), función: Sensor de fotocorriente rápido.
• R3: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de carga para convertir la fotocorriente en voltaje.

Guía de conexionado

El circuito consta de tres secciones distintas: el Estímulo (luz pulsante), el divisor LDR y el divisor de Fotodiodo.

Sección de estímulo:
* V2 (Fuente de pulsos) se conecta entre V_PULSE y 0 (GND).
* R1 se conecta entre V_PULSE y NODE_LED.
* D_STIM (Ánodo) se conecta a NODE_LED.
* D_STIM (Cátodo) se conecta a 0 (GND).
* Nota: Coloca D_STIM físicamente cerca tanto de R_LDR como de D_PD para asegurar que reciban la luz.

Sección del sensor LDR:
* V1 (Fuente CC) se conecta entre VCC y 0 (GND).
* R_LDR se conecta entre VCC y V_LDR.
* R2 se conecta entre V_LDR y 0 (GND).

Sección del sensor de fotodiodo:
* D_PD (Cátodo) se conecta a VCC. (Nota: Los fotodiodos operan en polarización inversa para el modo fotoconductivo).
* D_PD (Ánodo) se conecta a V_PD.
* R3 se conecta entre V_PD y 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

      [ INPUT SOURCES ]               [ SENSOR / OPTICAL BLOCK ]             [ OUTPUTS ]

          +--> [ R_LDR: Photoresistor ] --+------> < V_LDR >
                                   |    (Light Dependent Res.)     |
                                   |             ^                 v
                                   |             ~            [ R2: 10k ]
                                   |             ~ Light           |
    ( V1: 5 V DC Supply ) ----------+             ~                GND
                                   |             ~
                                   |             ~
                                           +--> [ D_PD: Photodiode ] ------+------> < V_PD >
                                        (Reverse Biased)           |
                                                 ^                 v
                                                 ~            [ R3: 100k ]
                                                 ~ Light           |
                                                 ~                GND
                                                 ~
                                                 ~
    ( V2: Pulse Gen ) --> [ R1: 330 ] --> [ D_STIM: White LED ] ----------> GND

Mediciones y pruebas

Para validar las diferencias entre los sensores, sigue estos pasos:

1. Pruebas estáticas (CC):

   • Apaga V2 (Pulso). Mantén V1 (5 V) encendida.
   • Cubre ambos sensores (Condición de oscuridad). Mide el voltaje en V_LDR y V_PD. Ambos deberían estar cerca de 0 V (dependiendo de la corriente/resistencia en oscuridad).
   • Ilumina con una luz constante. Mide el voltaje en V_LDR y V_PD. Ambos voltajes deberían subir.

2. Pruebas dinámicas (CA/Tiempo de respuesta):

   • Habilita V2 (Generador de pulsos) a 100 Hz (50% de ciclo de trabajo).
   • Conecta el Canal 1 del osciloscopio a V_PULSE (Referencia).
   • Conecta el Canal 2 del osciloscopio a V_LDR.
   • Conecta el Canal 3 del osciloscopio a V_PD.
   • Observación: Compara las formas de onda. El Canal 3 (Fotodiodo) debería parecerse a una onda cuadrada, coincidiendo con el Canal 1. El Canal 2 (LDR) se verá distorsionado, con flancos de subida y bajada lentos, no logrando alcanzar la amplitud completa si la frecuencia es demasiado alta.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Component Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=10p)
* Silicon Photodiode Model (BPW34 - Dark Characteristics)
.model D_BPW34 D(IS=1e-9 RS=5 N=1 CJO=20p)

* --- Power Supplies ---
* V1: Main Circuit Power (5V DC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: Pulse Generator (Stimulus)
* 0V to 5V, 100Hz (10ms period), 50% Duty Cycle
* Rise/Fall time 100us to ensure convergence
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: Current limiting resistor for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330
* ... (truncated in public view) ...

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🔓 Ver planes de acceso premium

* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Component Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=10p)
* Silicon Photodiode Model (BPW34 - Dark Characteristics)
.model D_BPW34 D(IS=1e-9 RS=5 N=1 CJO=20p)

* --- Power Supplies ---
* V1: Main Circuit Power (5V DC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: Pulse Generator (Stimulus)
* 0V to 5V, 100Hz (10ms period), 50% Duty Cycle
* Rise/Fall time 100us to ensure convergence
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: Current limiting resistor for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330

* D_STIM: Green LED (Light Source)
* Anode to NODE_LED, Cathode to GND
D_STIM NODE_LED 0 DLED

* --- Light Coupling & Physics Simulation (Behavioral) ---
* These elements simulate the physical behavior of light transfer
* from the LED to the sensors.

* 1. LDR Latency Simulation (RC Filter)
* Simulates the slow response time of the photo-resistive material.
* R_PHYS and C_PHYS create a delay on the control signal.
R_PHYS NODE_LED V_LIGHT_LDR 10k
C_PHYS V_LIGHT_LDR 0 1u

* --- LDR Sensor Section ---
* R_LDR: Light Dependent Resistor
* Modeled as a behavioral resistor (ngspice syntax).
* Resistance varies from ~1Meg (Dark) to ~2k (Light).
* Controlled by the delayed light signal (V_LIGHT_LDR) with a sigmoid transition.
R_LDR VCC V_LDR R = '2k + (1Meg - 2k) / (1 + exp(10 * (V(V_LIGHT_LDR) - 1.0)))'

* R2: Voltage divider bottom leg (10k)
R2 V_LDR 0 10k

* --- Photodiode Sensor Section ---
* D_PD: Silicon Photodiode (BPW34)
* Connected in reverse bias: Cathode to VCC, Anode to V_PD.
D_PD V_PD VCC D_BPW34

* Photocurrent Source (Behavioral)
* Represents the current generated by light (Cathode to Anode).
* Controlled directly by NODE_LED (Fast response).
* Generates ~20uA when LED is ON.
B_PD_PHOTO VCC V_PD I = '20u * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.0))))'

* R3: Load resistor for Photodiode (220k)
* Converts photocurrent to voltage.
R3 V_PD 0 220k

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 100us step size, 30ms duration (3 full cycles)
.tran 100u 30m

* Print directives for logging results
.print tran V(V_PULSE) V(NODE_LED) V(V_LDR) V(V_PD)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (764 rows)

Index   time            v(v_pulse)      v(node_led)     v(v_ldr)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	2.716431e-145	4.950717e-02
1	1.000000e-06	5.000000e-02	4.824684e-02	4.950717e-02
2	1.083830e-06	5.419150e-02	5.230192e-02	4.950717e-02
3	1.251490e-06	6.257451e-02	6.041598e-02	4.950717e-02
4	1.586811e-06	7.934053e-02	7.664554e-02	4.950717e-02
5	2.257451e-06	1.128726e-01	1.091032e-01	4.950717e-02
6	3.598733e-06	1.799366e-01	1.740197e-01	4.950717e-02
7	6.281296e-06	3.140648e-01	3.038499e-01	4.950717e-02
8	1.164642e-05	5.823211e-01	5.635005e-01	4.950718e-02
9	2.048297e-05	1.024149e+00	9.911337e-01	4.950719e-02
10	3.049268e-05	1.524634e+00	1.474550e+00	4.950722e-02
11	3.675621e-05	1.837811e+00	1.660693e+00	4.950724e-02
12	4.338068e-05	2.169034e+00	1.711124e+00	4.950727e-02
13	4.777134e-05	2.388567e+00	1.729852e+00	4.950729e-02
14	5.403581e-05	2.701791e+00	1.750179e+00	4.950731e-02
15	6.656476e-05	3.328238e+00	1.778506e+00	4.950737e-02
16	9.162266e-05	4.581133e+00	1.819947e+00	4.950748e-02
17	1.000000e-04	5.000000e+00	1.831535e+00	4.950751e-02
18	1.050116e-04	5.000000e+00	1.831601e+00	4.950754e-02
19	1.150347e-04	5.000000e+00	1.831470e+00	4.950759e-02
20	1.350811e-04	5.000000e+00	1.831473e+00	4.950768e-02
21	1.751737e-04	5.000000e+00	1.831478e+00	4.950788e-02
22	2.553590e-04	5.000000e+00	1.831491e+00	4.950831e-02
23	3.553590e-04	5.000000e+00	1.831507e+00	4.950895e-02
... (740 more rows) ...

* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Power Supplies ---
* V1: 5 V DC supply
V1 VCC 0 DC 5
* V2: 0 V to 5 V Pulse Generator (100 Hz), Stimulus Driver
* Pulse: 0V to 5V, Delay 0, Rise 100u, Fall 100u, Width 5m, Period 10m
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: 330 Ohm resistor, Current limiting for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330
* D_STIM: White LED
* Anode connected to NODE_LED, Cathode connected to 0 (GND)
D_STIM NODE_LED 0 DLED_WHITE

* --- LDR Sensor Section ---
* R_LDR: Light Dependent Resistor
* Connects between VCC and V_LDR
* Modeled as a behavioral resistor: High Resistance (1Meg) in dark, Low (5k) in light.
* Light presence is derived from the voltage across the Stimulus LED (NODE_LED).
R_LDR VCC V_LDR R='1Meg - (1Meg - 5k) * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.5))))'

* R2: 10 kΩ resistor, Voltage divider bottom leg
R2 V_LDR 0 10k

* --- Photodiode Sensor Section ---
* D_PD: Silicon Photodiode (BPW34)
* Wiring: Cathode to VCC, Anode to V_PD.
* SPICE Syntax: Dname Anode Cathode Model
D_PD V_PD VCC D_BPW34

* R3: 100 kΩ resistor, Load resistor
R3 V_PD 0 100k

* Behavioral Current Source to simulate Photocurrent
* Physical photodiodes generate current in reverse bias when illuminated.
* This source injects current from VCC to V_PD proportional to the LED state.
* Approx 30uA photocurrent when LED is ON.
B_PHOTO_I VCC V_PD I='30u * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.5))))'

* --- Models ---
* Generic White LED Model (Vf approx 3.0V)
.model DLED_WHITE D (IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Generic Photodiode Model (Dark characteristics)
.model D_BPW34 D (IS=10p N=1 RS=5 CJO=20p)

* --- Analysis Commands ---
.op
* Transient analysis: 10us step size, 50ms duration (5 cycles of 100Hz)
.tran 10u 50m

* Print directives for simulation output
.print tran V(V_PULSE) V(NODE_LED) V(V_LDR) V(V_PD)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (10130 rows)

Index   time            v(v_pulse)      v(node_led)     v(v_ldr)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	9.361484e-40	4.950497e-02
1	1.000000e-07	5.000000e-03	4.999973e-03	4.950497e-02
2	2.000000e-07	1.000000e-02	9.999945e-03	4.950497e-02
3	4.000000e-07	2.000000e-02	1.999988e-02	4.950497e-02
4	8.000000e-07	4.000000e-02	3.999972e-02	4.950497e-02
5	1.600000e-06	8.000000e-02	7.999919e-02	4.950498e-02
6	3.200000e-06	1.600000e-01	1.599964e-01	4.950501e-02
7	6.400000e-06	3.200000e-01	3.199538e-01	4.950532e-02
8	1.280000e-05	6.400000e-01	6.340342e-01	4.951341e-02
9	2.280000e-05	1.140000e+00	8.845732e-01	4.960852e-02
10	3.280000e-05	1.640000e+00	9.606899e-01	4.972663e-02
11	4.280000e-05	2.140000e+00	1.007645e+00	4.985907e-02
12	5.280000e-05	2.640000e+00	1.043655e+00	5.001333e-02
13	6.280000e-05	3.140000e+00	1.074525e+00	5.019717e-02
14	7.280000e-05	3.640000e+00	1.102157e+00	5.041742e-02
15	8.280000e-05	4.140000e+00	1.127621e+00	5.068194e-02
16	9.280000e-05	4.640000e+00	1.151535e+00	5.099977e-02
17	1.000000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
18	1.010000e-04	5.000000e+00	1.168023e+00	5.126758e-02
19	1.030000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
20	1.070000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
21	1.150000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
22	1.250000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
23	1.350000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
... (10106 more rows) ...